JP5444793B2 - Stratified operation control device and stratified operation control method for variable compression ratio engine - Google Patents

Stratified operation control device and stratified operation control method for variable compression ratio engine Download PDF

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Description

この発明は、ピストンの上死点位置を変更して機械圧縮比を調整する可変圧縮比機構を備える可変圧縮比エンジンの成層運転を制御する装置及び方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and a method for controlling stratification operation of a variable compression ratio engine having a variable compression ratio mechanism that adjusts a mechanical compression ratio by changing a top dead center position of a piston.

エンジンシリンダーに燃料を直噴するエンジンにおいては、エンジンの運転状態に応じて混合気の成層状態を調整することができる。たとえば特許文献1では、圧縮行程における燃料を噴射するタイミングを変更することで混合気の成層状態を調整している。   In an engine that directly injects fuel into an engine cylinder, the stratified state of the air-fuel mixture can be adjusted according to the operating state of the engine. For example, in Patent Document 1, the stratified state of the air-fuel mixture is adjusted by changing the timing of fuel injection in the compression stroke.

特開2003−193841号公報JP 2003-193841 A

しかしながら、前述した従来の手法のように、燃料を噴射するタイミングを変更しては、たとえば早期に燃料が噴射された場合には、噴霧が、ピストン冠面のキャビティーから外れてしまうことがある。すると、界面が明確で均質な成層混合気を形成することが困難であることが本件発明者らによって知見された。   However, if the fuel injection timing is changed as in the conventional method described above, for example, if the fuel is injected early, the spray may come off from the cavity on the piston crown surface. . Then, it was found by the present inventors that it is difficult to form a homogeneous stratified gas mixture with a clear interface.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、界面が明確で均質な成層混合気を形成することができる可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置及び成層運転制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and a stratified operation control device and a stratified operation control method for a variable compression ratio engine capable of forming a homogeneous stratified mixture with a clear interface. The purpose is to provide.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。   The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.

本発明は、ピストン(33)の上死点位置を変更して機械圧縮比を調整する可変圧縮比機構を備える可変圧縮比エンジンの成層運転を制御する装置であって、エンジン運転状態に応じて設定された目標成層状態が強成層状態であるほど機械圧縮比を高める圧縮比調整部(ステップS16,S22,S310)と、前記圧縮比調整部によって機械圧縮比が高められるほど、エンジンシリンダー(31a)に臨んで設けられた燃料噴射弁(41)からの圧縮行程中の燃料噴射時期を進角させて、前記目標成層状態の成層混合気を生成する圧縮行程噴射制御部(ステップS18,S25,S313)と、前記エンジンシリンダー内の混合気に点火する点火時期制御部(ステップS19,S26,S314)と、を備えることを特徴とする。 The present invention is an apparatus for controlling the stratification operation of a variable compression ratio engine including a variable compression ratio mechanism that adjusts the mechanical compression ratio by changing the top dead center position of the piston (33), and according to the engine operating state. The compression ratio adjustment unit (steps S16, S22, S310) increases the mechanical compression ratio as the set target stratification state is the stronger stratification state, and the engine cylinder (31a) increases as the mechanical compression ratio is increased by the compression ratio adjustment unit. ) the face is by advancing the fuel injection timing during the compression stroke from the fuel injection valve (41) provided, the compression stroke injection control unit for generating a stratified mixture of the target stratified state (step S18, S25, S313) and an ignition timing control unit (steps S19, S26, S314) for igniting the air-fuel mixture in the engine cylinder.

本発明によれば、エンジン運転状態に応じて設定された目標成層状態が強成層状態であるほど機械圧縮比を高めるとともに、圧縮行程中にピストン冠面の高さが所定位置に達したタイミングで、燃料噴射弁から燃料を直噴するようにした。このようにすれば、機械圧縮比が高まるにつれて圧縮行程における噴霧ペネトレーションが小さくなり、界面が明確で、コンパクトかつ高濃度な強成層混合気を形成しやすくなる。   According to the present invention, the mechanical compression ratio is increased as the target stratification state set according to the engine operating state is the stronger stratification state, and at the timing when the height of the piston crown surface reaches the predetermined position during the compression stroke. The fuel was directly injected from the fuel injection valve. In this way, as the mechanical compression ratio increases, the spray penetration in the compression stroke is reduced, and the interface is clear, making it easy to form a compact and high-concentration strongly stratified mixture.

本発明による成層運転制御を適用可能な可変圧縮比エンジンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the variable compression ratio engine which can apply the stratified operation control by this invention. 複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。It is a figure explaining the compression ratio change method by a multiple link type variable compression ratio engine. 圧縮比が異なるときのピストン位置について説明する図である。It is a figure explaining a piston position when compression ratios differ. 圧縮比が異なるときの筒内ガス密度変化及び噴霧ペネトレーション変化を説明する図である。It is a figure explaining the in-cylinder gas density change and spray penetration change when compression ratios differ. 最適タイミングで噴霧された燃料の拡散状態を、圧縮比に応じて図示した図である。It is the figure which illustrated the diffusion state of the fuel sprayed at the optimal timing according to the compression ratio. 本発明による成層運転制御の第1応用形態の制御マップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control map of the 1st application form of stratified operation control by this invention. 本発明による成層運転制御を利用する第2応用形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 2nd application form using the stratified operation control by this invention. 第2応用形態を実行したときのタイムチャートである。It is a time chart when a 2nd application form is performed. 本発明による成層運転制御を利用する第3応用形態における圧縮比と筒内流動との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the compression ratio and the in-cylinder flow in the 3rd application form using the stratified operation control by this invention. 本発明による成層運転制御を利用する第3応用形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 3rd application form using the stratified operation control by this invention. 第3応用形態を実行したときのタイムチャートである。It is a time chart when a 3rd application form is performed. 本発明による成層運転制御を利用する第4応用形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 4th application form using the stratified operation control by this invention. 第4応用形態を実行したときのタイムチャートである。It is a time chart when the 4th application form is performed. 他の実施形態を示す図である。It is a figure which shows other embodiment.

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(基本コンセプト)
図1は、本発明による成層運転制御を適用可能な可変圧縮比エンジンの一例を示す図である。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(Basic concept)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a variable compression ratio engine to which stratified operation control according to the present invention can be applied.

本件発明者らは、従来より、図1に示すようなピストンとクランクシャフトとを2つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比エンジン(以下「複リンク式可変圧縮比エンジン」という)について鋭意研究を重ねている。通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)は、ピストンとクランクシャフトとを1つのリンク(コネクティングロッド)で連結し、機械圧縮比が不変であり上死点でのピストンの位置は一定である。しかしながら、本件発明者らが研究する複リンク式可変圧縮比エンジンでは、上死点でのピストンの位置を変更できる。本件発明者らは、このような特性を利用すれば、混合気の成層状態を制御できることを知見したのである。   The inventors of the present invention have been diligently involved in a variable compression ratio engine (hereinafter referred to as a “multi-link variable compression ratio engine”) using a multi-link mechanism in which a piston and a crankshaft are connected by two links as shown in FIG. Research is repeated. In a normal engine (hereinafter referred to as “normal engine”), a piston and a crankshaft are connected by a single link (connecting rod), the mechanical compression ratio is unchanged, and the position of the piston at the top dead center is constant. However, in the multi-link variable compression ratio engine studied by the present inventors, the position of the piston at the top dead center can be changed. The present inventors have found that the stratified state of the air-fuel mixture can be controlled by using such characteristics.

はじめに図1を参照して、本発明による成層運転制御を適用可能な可変圧縮比エンジンの一例を説明する。   First, an example of a variable compression ratio engine to which the stratified operation control according to the present invention can be applied will be described with reference to FIG.

複リンク式可変圧縮比エンジン10は、クランクシャフト32とピストン33とを2つのリンク(ロアリンク11、アッパリンク12)で連結するとともに、コントロールリンク13でロアリンク11の移動を規制して機械圧縮比を変更する。   The multi-link variable compression ratio engine 10 connects the crankshaft 32 and the piston 33 with two links (the lower link 11 and the upper link 12), and controls the movement of the lower link 11 with the control link 13 to perform mechanical compression. Change the ratio.

ロアリンク11は、ほぼ中央の連結孔でクランクシャフト32のクランクピン32bに取り付けられる。ロアリンク11は、クランクピン32bを中心軸として回転する。ロアリンク11は左右の2部材に分割可能に構成される。クランクシャフト32は、複数のジャーナル32aとクランクピン32bとを備える。ジャーナル32aは、シリンダーブロック31及びラダーフレーム34によって回転自在に支持される。クランクピン32bは、ジャーナル32aから所定量偏心しており、ここにロアリンク11が回転自在に連結する。ロアリンク11は、一端を連結ピン21を介してアッパリンク12に連結し、他端を連結ピン22を介してコントロールリンク13に連結する。   The lower link 11 is attached to the crankpin 32b of the crankshaft 32 through a substantially central connecting hole. The lower link 11 rotates around the crank pin 32b as a central axis. The lower link 11 is configured to be split into two left and right members. The crankshaft 32 includes a plurality of journals 32a and a crankpin 32b. The journal 32 a is rotatably supported by the cylinder block 31 and the ladder frame 34. The crank pin 32b is eccentric by a predetermined amount from the journal 32a, and the lower link 11 is rotatably connected thereto. One end of the lower link 11 is connected to the upper link 12 via the connecting pin 21, and the other end is connected to the control link 13 via the connecting pin 22.

アッパリンク12は、下端を連結ピン21を介してロアリンク11の一端に連結し、上端をピストンピン23を介してピストン33に連結する。ピストン33は、燃焼圧力を受け、シリンダーブロック31のシリンダー31a内を往復動する。   The upper link 12 has a lower end connected to one end of the lower link 11 via a connecting pin 21 and an upper end connected to a piston 33 via a piston pin 23. The piston 33 receives the combustion pressure and reciprocates in the cylinder 31 a of the cylinder block 31.

コントロールリンク13は、先端に連結ピン22を挿入し、ロアリンク11に回動可能に連結する。コントロールリンク13は、他端を連結ピン24を介してコントロールシャフト25に連結する。コントロールリンク13は、この連結ピン24を中心として揺動する。連結ピン24は、コントロールシャフト25に対して偏心する。コントロールシャフト25にはギヤが形成されており、そのギヤがアクチュエータ51の回転軸52に設けられたピニオン53に噛合する。アクチュエータ51によってコントロールシャフト25が回転させられ、連結ピン24が移動する。   The control link 13 has a connecting pin 22 inserted at the tip thereof and is connected to the lower link 11 so as to be rotatable. The control link 13 is connected to the control shaft 25 through the connecting pin 24 at the other end. The control link 13 swings around the connecting pin 24. The connecting pin 24 is eccentric with respect to the control shaft 25. A gear is formed on the control shaft 25, and the gear meshes with a pinion 53 provided on the rotation shaft 52 of the actuator 51. The control shaft 25 is rotated by the actuator 51, and the connecting pin 24 moves.

コントローラ70はアクチュエータ51を制御してコントロールシャフト25を回転させて圧縮比を変更する。コントローラ70は燃料噴射弁41の燃料噴射を制御する。なお本実施形態の複リンク式可変圧縮比エンジン10では、燃料噴射弁41は燃焼室側方に配置される。コントローラ70はシリンダーヘッドに設けられた点火プラグ42の点火時期を制御する。コントローラ70は中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ70を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。   The controller 70 controls the actuator 51 to rotate the control shaft 25 to change the compression ratio. The controller 70 controls fuel injection of the fuel injection valve 41. In the multi-link variable compression ratio engine 10 of the present embodiment, the fuel injection valve 41 is arranged on the side of the combustion chamber. The controller 70 controls the ignition timing of the spark plug 42 provided in the cylinder head. The controller 70 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). The controller 70 may be composed of a plurality of microcomputers.

排気浄化触媒100は、排気通路の下流に配置されている。排気浄化触媒100は、暖機が完了して触媒成分が活性化されるとエンジン10から排出される排ガスを浄化可能になる。   The exhaust purification catalyst 100 is disposed downstream of the exhaust passage. The exhaust purification catalyst 100 can purify the exhaust gas discharged from the engine 10 when the warm-up is completed and the catalyst component is activated.

図2は、複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining a compression ratio changing method by a multi-link variable compression ratio engine.

複リンク式可変圧縮比エンジンは、コントロールシャフト25を回転して連結ピン24の位置を変更することで、上死点でのピストンの位置が変わり圧縮比を調整できる。   The multi-link variable compression ratio engine can adjust the compression ratio by changing the position of the connecting pin 24 by rotating the control shaft 25 and changing the position of the piston at the top dead center.

すなわち図2(C)に示すように連結ピン24を位置Aにすれば、図2(A)に示すように上死点位置(TDC)が高くなり、圧縮比が高くなる。   That is, when the connecting pin 24 is set to the position A as shown in FIG. 2C, the top dead center position (TDC) is increased as shown in FIG. 2A, and the compression ratio is increased.

また図2(C)に示すように連結ピン24を位置Bにすれば、コントロールリンク13が上方へ押し上げられ、連結ピン22の位置が上がる。これによってロアーリンク11はクランクピン32bを中心として反時計方向に回転し、連結ピン21が下がり、図2(B)に示すようにピストン上死点(TDC)におけるピストン33の位置が下降し、圧縮比が低くなる。   Further, as shown in FIG. 2C, when the connecting pin 24 is set to the position B, the control link 13 is pushed upward and the position of the connecting pin 22 is raised. As a result, the lower link 11 rotates counterclockwise about the crank pin 32b, the connecting pin 21 is lowered, and the position of the piston 33 at the piston top dead center (TDC) is lowered as shown in FIG. The compression ratio is lowered.

図3は圧縮比が異なるときのピストン位置について説明する図である。図3(A−1)〜図3(A−4)は低圧縮比の場合を示し、図3(B−0)〜図3(B−5)は高圧縮比の場合を示す。   FIG. 3 is a diagram illustrating the piston position when the compression ratio is different. 3A-1 to 3A-4 show the case of the low compression ratio, and FIGS. 3B-0 to 3B-5 show the case of the high compression ratio.

図3(A−3)及び図3(B−3)を比較して分かるように、本実施形態の複リンク式可変圧縮比エンジンでは圧縮比が異なると、上死点でのピストンの位置が変わる。図3(A−3)に示した低圧縮比の上死点位置は、図3(B−3)に示した高圧縮比の上死点位置に比べて低い。そして上死点位置が異なるので、同じクランク角度タイミングにおけるピストン位置を比較しても、低圧縮比のほうが高圧縮比よりも低い。たとえばクランク角度30degBTDCにおけるピストン位置を比較すると、図3(A−1)に示した低圧縮比のほうが図3(B−1)に示した高圧縮比に比べて低い。見方を変えると、低圧縮比のときのクランク角度30degBTDCにおけるピストン位置と(図3(A−1))、高圧縮比のときのクランク角度40degBTDCにおけるピストン位置と(図3(B−0))、がほぼ同じになる。また低圧縮比のときの上死点でのピストン位置と(図3(A−3))、高圧縮比のときのクランク角度28degBTDCのピストン位置と(図3(B−1)と図3(B−2)との間)、がほぼ同じになる。   As can be seen by comparing FIG. 3 (A-3) and FIG. 3 (B-3), in the multi-link variable compression ratio engine of this embodiment, if the compression ratio is different, the position of the piston at the top dead center is different. change. The top dead center position of the low compression ratio shown in FIG. 3 (A-3) is lower than the top dead center position of the high compression ratio shown in FIG. 3 (B-3). Since the top dead center positions are different, the low compression ratio is lower than the high compression ratio even when the piston positions at the same crank angle timing are compared. For example, comparing piston positions at a crank angle of 30 deg BTDC, the low compression ratio shown in FIG. 3 (A-1) is lower than the high compression ratio shown in FIG. 3 (B-1). In other words, the piston position at a crank angle of 30 degBTDC at a low compression ratio (FIG. 3 (A-1)) and the piston position at a crank angle of 40 degBTDC at a high compression ratio (FIG. 3 (B-0)). , Will be almost the same. The piston position at the top dead center when the compression ratio is low (FIG. 3 (A-3)), and the piston position at a crank angle of 28 degBTDC when the compression ratio is high (FIG. 3 (B-1) and FIG. B-2)) is almost the same.

ピストン位置と筒内ガス密度とは密接な関係がある。ピストン位置が高いほど筒内ガス密度が高くなる。そして筒内ガス密度とクランク角度との関係を示すと図4(A)のようになる。すなわち本実施形態の複リンク式可変圧縮比エンジンでは、図4(A)に示されているように、筒内ガス密度がD1からD2に上昇するまでに要するクランク角度期間は、高圧縮比のときはクランク角度期間ΔThighであり、低圧縮比のときはクランク角度期間ΔTlowである。クランク角度期間ΔTlowはクランク角度期間ΔThighよりも長い。すなわち圧縮比が高いほうが低いよりも筒内ガス密度が速く変化する。そして高圧縮比のときは、さらに筒内ガス密度が高まってD3に達する。   The piston position and the in-cylinder gas density are closely related. The higher the piston position, the higher the in-cylinder gas density. FIG. 4A shows the relationship between the in-cylinder gas density and the crank angle. That is, in the multi-link variable compression ratio engine of this embodiment, as shown in FIG. 4 (A), the crank angle period required until the in-cylinder gas density increases from D1 to D2 has a high compression ratio. Is the crank angle period ΔThigh, and when the compression ratio is low, the crank angle period ΔTlow. The crank angle period ΔTlow is longer than the crank angle period ΔThigh. That is, the higher the compression ratio, the faster the in-cylinder gas density changes than when the compression ratio is low. When the compression ratio is high, the in-cylinder gas density further increases and reaches D3.

ここで高圧縮比のときに筒内ガス密度D1になるタイミングT1で燃料を噴射した場合と、低圧縮比のときに筒内ガス密度D1になるタイミングT2で燃料を噴射した場合の噴霧ペネトレーション(penetration)を比較する。すると低圧縮比のほうが遅めのタイミングT2で噴射しているにもかかわらず、高圧縮比で早めのタイミングT1で噴射した場合よりも、圧縮上死点付近では噴霧ペネトレーションが大きくなっていることが分かる。すなわち噴霧は、より長い距離を移動しているのである。   Here, when the fuel is injected at the timing T1 when the in-cylinder gas density D1 is reached when the compression ratio is high, and when the fuel is injected at the timing T2 when the in-cylinder gas density D1 is reached when the compression ratio is low, the spray penetration ( Compare penetration). Then, although the low compression ratio is injected at a later timing T2, the spray penetration is larger in the vicinity of the compression top dead center than when the high compression ratio is injected at an earlier timing T1. I understand. That is, the spray travels a longer distance.

これは、図4(A)から分かるように、低圧縮比のほうが筒内のガス密度が低いので、噴霧の抵抗が小さく噴霧ペネトレーションが大きくなる、というのが本件発明者らの知見である。   As can be seen from FIG. 4 (A), the present inventors know that the low compression ratio has a lower gas density in the cylinder, so that the spray resistance is small and the spray penetration is large.

そこで本件発明者らは、このような特性を利用して、混合気の成層状態を制御することを創案した。   Therefore, the inventors of the present invention have devised to control the stratified state of the air-fuel mixture using such characteristics.

すなわち従来のノーマルエンジンでは、燃料噴射時期を早めたり遅めたりすることで筒内の混合気の成層状態を変えていた。   That is, in the conventional normal engine, the stratified state of the air-fuel mixture in the cylinder is changed by advancing or delaying the fuel injection timing.

しかしながら、このような手法では、燃料を噴射したタイミングでの燃料噴射弁の噴射口からピストン冠面のキャビティーまでの距離が変わってしまう。そもそもキャビティーはピストンが最適位置にあるタイミングで噴射された燃料を受け止めて成層状態を維持できるように形状が設計されている。しかし従来のようにタイミングを変えて噴射しては、噴射タイミングにおける燃料噴射弁の噴射口からピストン冠面のキャビティーまでの距離が変わってしまい、キャビティーから燃料がこぼれてしまう。すると界面が明確で均質な成層混合気の形成が困難である。   However, in such a method, the distance from the injection port of the fuel injection valve to the cavity of the piston crown surface at the timing when the fuel is injected changes. In the first place, the shape of the cavity is designed so that the injected fuel can be received and the stratified state can be maintained when the piston is at the optimal position. However, if injection is performed at a different timing as in the prior art, the distance from the injection port of the fuel injection valve to the cavity of the piston crown surface at the injection timing changes, and fuel spills from the cavity. As a result, it is difficult to form a homogeneous stratified gas mixture with a clear interface.

ところで本実施形態の複リンク式可変圧縮比エンジン10では、上述のように、ピストン位置(燃料噴射弁の噴射口からピストン冠面のキャビティーまでの距離)が同じであっても、噴霧ペネトレーションを変えることができる。噴霧ペネトレーションが小さくなればコンパクトかつ高密度な、すなわち強成層な混合気を生成することができる。また設計上の最適位置のピストンに向けて噴射された燃料は、キャビティーで受け止められて成層状態が維持され、界面が明確になる。したがってたとえば成層運転するときに燃料量が少なくて済む。   By the way, in the multi-link variable compression ratio engine 10 of the present embodiment, as described above, even if the piston position (distance from the injection port of the fuel injection valve to the cavity of the piston crown surface) is the same, spray penetration is performed. Can be changed. If the spray penetration is small, a compact and high-density, that is, strongly stratified mixture can be generated. The fuel injected toward the piston at the optimum design position is received by the cavity and the stratified state is maintained, and the interface becomes clear. Therefore, for example, the amount of fuel is small when performing a stratified operation.

図5は、最適タイミングで噴霧された燃料の拡散状態を、圧縮比に応じて図示した図である。図5(A−1)〜図5(A−4)は低圧縮比の場合を示し、図5(B−0)〜図5(B−5)は高圧縮比の場合を示す。   FIG. 5 is a diagram illustrating the diffusion state of the fuel sprayed at the optimum timing according to the compression ratio. 5A-1 to 5A-4 show the case of the low compression ratio, and FIGS. 5B-0 to 5B-5 show the case of the high compression ratio.

図5(A−1)に示すように、機械圧縮比が低い状態で最適タイミングで燃料が噴射されると、その後の筒内ガス密度の上昇が小さいことから、キャビティーに受け止められた混合気は拡散しやすい(図5(A−2),図5(A−3))。混合気は、点火タイミングでは弱成層状態である(図5(A−4))。   As shown in FIG. 5 (A-1), when fuel is injected at an optimal timing with a low mechanical compression ratio, the subsequent increase in the in-cylinder gas density is small, so that the air-fuel mixture received in the cavity Is easy to diffuse (FIGS. 5A-2 and 5A-3). The air-fuel mixture is weakly stratified at the ignition timing (FIG. 5A-4).

図5(B−0)に示すように、機械圧縮比が高い状態で最適タイミングで燃料が噴射されると、その後の筒内ガス密度の上昇が大きいことから、キャビティーに受け止められた混合気は拡散しにくい(図5(B−1)〜図5(B−4))。混合気は、点火タイミングでは、コンパクトかつ高濃度な強成層状態である(図5(B−5))。   As shown in FIG. 5 (B-0), when the fuel is injected at the optimal timing with a high mechanical compression ratio, the subsequent increase in the in-cylinder gas density causes a large increase in the air-fuel mixture received in the cavity. Is difficult to diffuse (FIG. 5 (B-1) to FIG. 5 (B-4)). The air-fuel mixture is in a strongly stratified state with a compact and high concentration at the ignition timing (FIG. 5 (B-5)).

なお筒内の密度履歴を変更させる手法として、吸気弁の閉じ時期を変更し、有効圧縮比を変更させる方法も考えられる。しかしながらこのような手法では、有効圧縮比の変化に筒内の空気量も大きく変化してしまうことから、本願のような作用効果を得ることは困難である。   As a method of changing the density history in the cylinder, a method of changing the effective compression ratio by changing the closing timing of the intake valve is also conceivable. However, with such a method, since the amount of air in the cylinder also changes greatly due to the change in the effective compression ratio, it is difficult to obtain the effect as in the present application.

本件発明者らは、上述のようにして成層混合気の状態を制御することを創案した。そしてこの技術を応用して、下記のような装置についても創案した。以下ではその内容について詳述する。   The inventors of the present invention have devised to control the state of the stratified mixture as described above. By applying this technology, the following devices were also created. The details will be described below.

(第1応用形態)
図6は、本発明による成層運転制御の第1応用形態の制御マップの一例を示す図である。
(First application form)
FIG. 6 is a diagram showing an example of a control map of the first applied form of stratified operation control according to the present invention.

本実施形態では、図6に示したマップにしたがってエンジンの運転状態が低回転低負荷であるほど機械圧縮比を高めるようにした。   In this embodiment, according to the map shown in FIG. 6, the mechanical compression ratio is increased as the operating state of the engine is lower in rotation and lower in load.

このように低回転低負荷であるほど高圧縮比にして圧縮行程中にピストンが所定位置に達したタイミングで燃料を噴射すれば、混合気の成層度が高まり、コンパクトかつ界面が明確な強成層混合気が形成される。このような成層混合気であれば、火炎と壁面との接触面積(濡れ面積)が低減されるので、冷却却損失が低下し熱効率が向上する。   In this way, if the fuel is injected at the timing when the piston reaches a predetermined position during the compression stroke with a higher compression ratio as the rotation speed is lower and the load is lower, the stratification degree of the air-fuel mixture increases, and the strong stratification with a compact and clear interface A mixture is formed. With such a stratified mixture, the contact area (wetting area) between the flame and the wall surface is reduced, so that the cooling loss is reduced and the thermal efficiency is improved.

そして負荷の上昇に伴って要求噴射量が増加したら、段階的に圧縮比を低下させて弱成層混合気を形成する。このようにすればスモークの悪化が抑制され、成層領域を拡大して熱効率が向上する。なお作動ガスにEGRガスが導入されてもよい。   When the required injection amount increases as the load increases, the compression ratio is gradually reduced to form a weakly stratified mixture. In this way, the deterioration of smoke is suppressed, and the stratification region is expanded to improve the thermal efficiency. An EGR gas may be introduced into the working gas.

(第2応用形態)
図7は、本発明による成層運転制御を利用する第2応用形態を示すフローチャートである。
(Second application form)
FIG. 7 is a flowchart showing a second application form using the stratified operation control according to the present invention.

上述のように界面の明確な強成層な混合気を生成できれば、燃焼安定度が向上する。燃焼安定度が向上すれば、燃焼安定限界が拡がる。燃焼安定限界が拡がれば、点火時期の遅角限界が拡がる。そして点火時期を遅角できれば排ガス温度を高温化でき、たとえば排気浄化触媒の暖機時間を縮小できる。   If a strongly stratified air-fuel mixture with a clear interface can be generated as described above, the combustion stability is improved. If the combustion stability is improved, the combustion stability limit is expanded. If the combustion stability limit is expanded, the retard limit of the ignition timing is expanded. If the ignition timing can be retarded, the exhaust gas temperature can be increased, and for example, the warm-up time of the exhaust purification catalyst can be reduced.

シリンダー壁面の温度が十分に高温であれば、高濃度の成層混合気を供給しても、燃料がシリンダー壁面に付着することなく蒸発する。しかしながら、シリンダー壁面の温度が低いときに高濃度の成層混合気を供給しては、燃料がシリンダー壁面に付着してしまう可能性がある。さらに冷機始動時のようにシリンダー壁面の温度が非常に低ければ、たとえ低濃度であっても成層混合気が供給されることで燃料の壁面付着が生じてしまう可能性がある。そこでシリンダー壁面温度が非常に低いときには、吸気行程でのみ燃料を供給して混合気を均質状態にしておくことが望ましい。そしてシリンダー壁面の温度の上昇に合わせて成層混合気を増やすことが望ましい。本実施形態は、本件発明者らのこのような知見に基づきなされたものである。以下では図7に示したフローチャートを参照して具体的な制御内容について説明する。なおこのフローチャートは、冷機始動時において微小時間ごとに繰り返し実行される。   If the temperature of the cylinder wall surface is sufficiently high, the fuel evaporates without adhering to the cylinder wall surface even if a high-concentration stratified mixture is supplied. However, if a high-concentration stratified mixture is supplied when the temperature of the cylinder wall surface is low, the fuel may adhere to the cylinder wall surface. Furthermore, if the temperature of the cylinder wall surface is very low, such as when starting a cold machine, even if the concentration is low, the stratified gas mixture may be supplied to cause fuel wall adhesion. Therefore, when the cylinder wall surface temperature is very low, it is desirable to supply the fuel only in the intake stroke to keep the air-fuel mixture homogeneous. It is desirable to increase the stratified mixture as the temperature of the cylinder wall increases. The present embodiment has been made based on such knowledge of the inventors. Hereinafter, specific control contents will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This flowchart is repeatedly executed every minute time when the cold machine is started.

ステップS11においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度を検出する。具体的にはたとえば温度センサーを使用してシリンダー壁面の温度を直接的に検出してもよいし、エンジン始動時の冷却水温やエンジン始動からの経過時間などに基づいてシリンダー壁面の温度を推定(間接的に検出)してもよい。   In step S11, the controller 70 detects the temperature of the cylinder wall surface. Specifically, for example, the temperature of the cylinder wall surface may be detected directly using a temperature sensor, or the temperature of the cylinder wall surface is estimated based on the coolant temperature at the time of engine start, the elapsed time since the engine start ( (Indirect detection).

ステップS12においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度が運転切替温度よりも低いか否かを判定する。低ければコントローラー70はステップS12へ処理を移行する。高ければコントローラー70はステップS16へ処理を移行する。   In step S12, the controller 70 determines whether or not the temperature of the cylinder wall surface is lower than the operation switching temperature. If it is low, the controller 70 proceeds to step S12. If it is higher, the controller 70 proceeds to step S16.

ステップS13においてコントローラー70は、機械圧縮比を維持する。   In step S13, the controller 70 maintains the mechanical compression ratio.

ステップS14においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて吸気行程の燃料噴射時期を遅角する。   In step S14, the controller 70 retards the fuel injection timing of the intake stroke according to the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS15においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて点火時期を遅角する。   In step S15, the controller 70 retards the ignition timing in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS16においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて機械圧縮比を高める。   In step S16, the controller 70 increases the mechanical compression ratio in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS17においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて吸気行程の燃料噴射時期を遅角することで、燃料噴射割合を減少する。   In step S17, the controller 70 retards the fuel injection ratio by retarding the fuel injection timing of the intake stroke in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS18においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて圧縮行程の燃料噴射時期を進角することで、燃料噴射割合を増大する。なお上述のように機械圧縮比が高まるつれて、上死点でのピストンの位置が高くなる。したがって圧縮行程の燃料噴射時期を進角して早めに燃料を噴射することで、燃料を噴射したタイミングにおけるピストン位置(燃料噴射弁の噴射口からピストン冠面のキャビティーまでの距離)を一定に維持できるのである。   In step S18, the controller 70 increases the fuel injection ratio by advancing the fuel injection timing of the compression stroke in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface. As described above, as the mechanical compression ratio increases, the position of the piston at the top dead center increases. Therefore, by advancing the fuel injection timing of the compression stroke and injecting the fuel earlier, the piston position (distance from the fuel injection valve injection port to the piston crown cavity) at the fuel injection timing is kept constant. It can be maintained.

ステップS19においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて点火時期を遅角する。   In step S19, the controller 70 retards the ignition timing in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

図8は、第2応用形態を実行したときのタイムチャートである。   FIG. 8 is a time chart when the second application mode is executed.

シリンダー壁面温度が運転切替温度に達する時刻t11まではコントローラーは、ステップS11→S12→S13→S14→S15を繰り返し処理する。これによって機械圧縮比は一定に維持される(図8(A))。燃料は吸気行程でのみ噴射されるとともに(図8(B))、シリンダー壁面の温度上昇に応じて噴射時期が遅角することで(図8(C))、燃料噴射量を増やす。点火時期は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて遅角する(図8(E))。このようにすれば排ガス温度が上昇するので、触媒温度も上昇する(図8(G))。   Until time t11 when the cylinder wall surface temperature reaches the operation switching temperature, the controller repeatedly performs steps S11 → S12 → S13 → S14 → S15. As a result, the mechanical compression ratio is kept constant (FIG. 8A). The fuel is injected only in the intake stroke (FIG. 8B), and the fuel injection amount is increased by retarding the injection timing in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 8C). The ignition timing is retarded according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 8E). In this way, the exhaust gas temperature rises, so the catalyst temperature also rises (FIG. 8 (G)).

時刻t11でシリンダー壁面温度が運転切替温度を超えたら、コントローラーは、ステップS11→S12→S16→S17→S18→S19を繰り返し処理する。これによってシリンダー壁面の温度上昇に応じて機械圧縮比が高くなる(図8(A))。そして吸気行程に追加して圧縮行程でも燃料を噴射する(図8(B))。吸気行程の燃料噴射は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて噴射時期が遅角することで(図8(C))、燃料噴射割合を減少する(図8(B))。圧縮行程の燃料噴射は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて噴射時期が進角することで(図8(D))、燃料噴射割合を増加する(図8(B))。なお圧縮行程の燃料噴射時期を進角して早めに燃料を噴射することで、燃料を噴射したタイミングにおけるピストン位置(燃料噴射弁の噴射口からピストン冠面のキャビティーまでの距離)を一定に維持できる。点火時期は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて遅角する(図8(E))。このようにすれば、排ガス温度が上昇するので、触媒温度も上昇する(図8(G))。   When the cylinder wall surface temperature exceeds the operation switching temperature at time t11, the controller repeatedly performs steps S11 → S12 → S16 → S17 → S18 → S19. As a result, the mechanical compression ratio increases as the temperature of the cylinder wall surface increases (FIG. 8A). In addition to the intake stroke, fuel is also injected during the compression stroke (FIG. 8B). In the fuel injection in the intake stroke, the injection timing is retarded in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 8C), and the fuel injection ratio is reduced (FIG. 8B). In the fuel injection in the compression stroke, the injection timing is advanced according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 8D), and the fuel injection ratio is increased (FIG. 8B). By advancing the fuel injection timing of the compression stroke and injecting fuel earlier, the piston position (distance from the fuel injection valve injection port to the piston crown cavity) at the fuel injection timing is kept constant. Can be maintained. The ignition timing is retarded according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 8E). By doing so, the exhaust gas temperature rises, so the catalyst temperature also rises (FIG. 8 (G)).

本実施形態によれば、シリンダー壁面温度が非常に低いときには、吸気行程でのみ燃料を供給して混合気を均質状態にした。このようにしたので、筒内に直接燃料が付着することがなく、また圧縮比を低下させているので、クレビスボリュームの影響が相対的に小さくなることも加わって未燃成分(炭化水素HC)を低減できる。   According to this embodiment, when the cylinder wall surface temperature is very low, fuel is supplied only in the intake stroke to make the air-fuel mixture homogeneous. Since it did in this way, fuel does not adhere directly to the cylinder, and the compression ratio is lowered, so that the influence of clevis volume is also relatively reduced and unburned components (hydrocarbon HC) Can be reduced.

そしてシリンダー壁面温度が運転切替温度を超えたら吸気行程に追加して圧縮行程でも燃料を噴射するようにした。圧縮行程の燃料噴射に追加して吸気行程に燃料噴射を行うことで、このように多段噴射にすることで、単段噴射する場合に比べて、燃料の過度に集中することがなく、オーバーリッチな混合気の形成が回避できる。筒内全体を使った弱成層場を形成することが可能である。   When the cylinder wall temperature exceeds the operation switching temperature, fuel is injected in the compression stroke in addition to the intake stroke. By performing fuel injection in the intake stroke in addition to fuel injection in the compression stroke, the multistage injection is performed in this way, so that the fuel is not excessively concentrated and over-rich compared to the case of single-stage injection. Can be avoided. It is possible to form a weak stratification field using the entire cylinder.

そしてすぐに強成層にしては燃料がシリンダー壁面に付着してしまうおそれがある。そこで壁温度が低い条件では、圧縮比を低くして弱成層混合気を形成し、燃料が過度に集中することを回避して液膜を低減することで、始動直後にエンジンから排出される未燃成分(炭化水素HC)を低減するようにした。   And if it becomes a strong stratification immediately, there exists a possibility that a fuel may adhere to a cylinder wall surface. Therefore, under low wall temperature conditions, the compression ratio is lowered to form a weakly stratified mixture, and the liquid film is reduced by avoiding excessive concentration of fuel. The fuel component (hydrocarbon HC) was reduced.

そして壁温が上昇するにつれて機械圧縮比を高めて、成層混合気のサイズを小さくするとともに、噴射量を増加して混合気の濃度を高めることによって、コンパクトで濃度の高い成層混合気が形成可能となる。このようにして高成層な混合気を形成することで、点火プラグの周囲にややリッチな混合気を形成するようにした。この状態では壁温が高いので液膜は問題とならない。この結果、点火安定度が向上し、リタード限界を拡大して排温を上昇させ触媒の活性を早めることで未燃成分(炭化水素HC)の排出低減と触媒の早期昇温を両立できるのである。   As the wall temperature rises, the compression ratio is increased to reduce the size of the stratified mixture, and by increasing the injection amount to increase the concentration of the mixture, a compact and highly concentrated stratified mixture can be formed. It becomes. By forming a highly stratified mixture in this way, a slightly rich mixture was formed around the spark plug. In this state, since the wall temperature is high, the liquid film is not a problem. As a result, the ignition stability is improved, the retard limit is increased, the exhaust temperature is increased, and the catalyst activity is accelerated, thereby reducing both unburned component (hydrocarbon HC) emission and early catalyst temperature increase. .

(第3応用形態)
図9は、本発明による成層運転制御を利用する第3応用形態における圧縮比と筒内流動との関係を示す図である。
(Third application form)
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the compression ratio and the in-cylinder flow in the third application mode using the stratified operation control according to the present invention.

図4(A)に示したように、高圧縮比では低圧縮比よりも筒内ガス密度が高くなる。そのため図4(B)に示したように、高圧縮比のほうが噴霧ペネトレーションが小さくなる。これは上述のように、高圧縮比のほうが、噴霧の抵抗が大きいからである、というのが本件発明者らの知見である。さらに本件発明者らは、高圧縮比のほうが筒内ガス密度が高くなることで、筒内乱流に対する抵抗も大きくなって筒内乱流が減衰しやすいということも知見した。   As shown in FIG. 4A, the in-cylinder gas density is higher at the high compression ratio than at the low compression ratio. Therefore, as shown in FIG. 4 (B), the spray penetration becomes smaller at the higher compression ratio. As described above, the present inventors know that the high compression ratio has a higher spray resistance. Furthermore, the present inventors have also found that the higher the compression ratio, the higher the in-cylinder gas density, the greater the resistance to in-cylinder turbulence, and the more easily in-cylinder turbulence is attenuated.

この実験結果を示したのが図9である。   FIG. 9 shows the result of this experiment.

スワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブのような吸気流動コントロールバルブを使用しなければ、吸気上死点後の吸気行程中に筒内に発生する乱流強度は、破線で示した高圧縮比であっても、一点鎖線で示した低圧縮比であっても、ほぼ同じである。そして圧縮行程では高圧縮比のほうが低圧縮比よりも減衰する。これは高圧縮比のほうが低圧縮比よりも筒内ガス密度が高いので、筒内乱流に対する抵抗も大きくなって筒内乱流が減衰しやすいからである、というのが発明者らの知見である。   Unless an intake flow control valve such as a swirl control valve or tumble control valve is used, the turbulent intensity generated in the cylinder during the intake stroke after intake top dead center is the high compression ratio indicated by the broken line. Even in the low compression ratio indicated by the one-dot chain line, it is almost the same. In the compression stroke, the high compression ratio attenuates more than the low compression ratio. This is because the in-cylinder gas density is higher at the high compression ratio than at the low compression ratio, so the resistance to the in-cylinder turbulence increases and the in-cylinder turbulence easily attenuates. .

スワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブのような吸気流動コントロールバルブを使用すれば、実線で示すように、吸気上死点後の吸気行程中に筒内に発生する乱流強度が大きい。しかしながら圧縮行程では、吸気流動コントロールバルブを使用しない場合と同程度に筒内乱流が減衰する。これは高圧縮比であれば、筒内ガス密度が高いので、筒内乱流に対する抵抗も大きくなって筒内乱流が減衰しやすいからである、というのが発明者らの知見である。   If an intake flow control valve such as a swirl control valve or a tumble control valve is used, the intensity of turbulence generated in the cylinder during the intake stroke after intake top dead center is large, as shown by the solid line. However, in the compression stroke, the in-cylinder turbulence is attenuated to the same extent as when the intake flow control valve is not used. It is the inventors' knowledge that this is because, if the compression ratio is high, the in-cylinder gas density is high, so that the resistance to in-cylinder turbulence increases and the in-cylinder turbulence easily attenuates.

高圧縮比においてコンパクトな成層混合気を形成する場合には、噴射時期を進角するので、点火までの時間は低圧縮比の場合よりも長くなる。しかしながら、高圧縮比においては、圧縮上死点付近の乱れが減衰するので拡散しにくく成層混合気を形成しやすい。このような特性を利用して、高圧縮比で吸気流動コントロールバルブを使用して吸気行程中のハッチング領域のいずれかのタイミングIT1で1度目の燃料を噴射すれば、燃料の拡散性が上がり均質度を向上できる。そして圧縮行程中の網掛け領域のいずれかのタイミングIT2で2度目の燃料を噴射しても、2度目噴射時には乱流が減衰しているので、成層混合気が拡散してしまうなどの跳ね返りが生じないのである。   When a compact stratified mixture is formed at a high compression ratio, the injection timing is advanced, so that the time until ignition is longer than that at the low compression ratio. However, at a high compression ratio, the turbulence near the compression top dead center is attenuated, so that it is difficult to diffuse and it is easy to form a stratified mixture. Using these characteristics, if the first fuel is injected at any timing IT1 in the hatching area during the intake stroke using the intake flow control valve at a high compression ratio, the diffusibility of the fuel increases and becomes homogeneous. The degree can be improved. Even if the fuel is injected for the second time at any timing IT2 in the shaded region during the compression stroke, the turbulent flow is attenuated during the second injection, so that the stratified mixture will rebound such as diffusing. It does not occur.

図10は、本発明による成層運転制御を利用する第3応用形態を示すフローチャートである。なおこのフローチャートは、冷機始動時に実行される。   FIG. 10 is a flowchart showing a third application form using the stratified operation control according to the present invention. This flowchart is executed at the time of cold start.

ステップS21においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度を検出する。   In step S21, the controller 70 detects the temperature of the cylinder wall surface.

ステップS22においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて機械圧縮比を高める。   In step S22, the controller 70 increases the mechanical compression ratio according to the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS23においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて吸気流動を強化する。   In step S23, the controller 70 enhances the intake air flow in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS24においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて吸気行程の燃料噴射時期を遅角する。   In step S24, the controller 70 retards the fuel injection timing of the intake stroke in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS25においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて圧縮行程の燃料噴射時期を進角する。   In step S25, the controller 70 advances the fuel injection timing of the compression stroke in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

ステップS26においてコントローラー70は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて点火時期を遅角する。   In step S26, the controller 70 retards the ignition timing in accordance with the temperature rise of the cylinder wall surface.

図11は、第3応用形態を実行したときのタイムチャートである。   FIG. 11 is a time chart when the third application mode is executed.

コントローラーは、ステップS21→S22→S23→S24→S25→S26を繰り返し処理する。これによってシリンダー壁面の温度上昇に応じて機械圧縮比が高くなる(図11(A))。またシリンダー壁面の温度上昇に応じて吸気流動を強化する(図11(F))。そして吸気行程の燃料噴射時期は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて遅角する(図11(C))。圧縮行程の燃料噴射時期は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて進角する(図11(D))。点火時期は、シリンダー壁面の温度上昇に応じて遅角する(図11(E))。このようにすれば排ガス温度が上昇するので、触媒温度も上昇する(図11(H))。   The controller repeatedly performs steps S21 → S22 → S23 → S24 → S25 → S26. As a result, the mechanical compression ratio increases as the temperature of the cylinder wall surface rises (FIG. 11A). Further, the intake air flow is strengthened according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 11 (F)). The fuel injection timing in the intake stroke is retarded according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 11C). The fuel injection timing of the compression stroke is advanced according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 11 (D)). The ignition timing is retarded according to the temperature rise of the cylinder wall surface (FIG. 11 (E)). By doing so, the exhaust gas temperature rises, so the catalyst temperature also rises (FIG. 11 (H)).

本実施形態では、圧縮行程と吸気行程とで燃料を噴射するようにした。圧縮行程での燃料噴射量と吸気行程での燃料噴射量とを概ね等しく設定した。そして圧縮比が高まるにつれて、圧縮行程での噴射時期を進角することで、成層混合気のサイズを小さくし、かつ濃度を高めるようにした。そして点火時期を遅角するようにした。筒内全体の空燃比は理論空燃比近傍からA/F17程度までのスライトリーンに設定した。このため余剰酸素によって触媒を早期活性できるとともに未燃成分(炭化水素HC)の後燃えを促進できるのである。   In the present embodiment, fuel is injected in the compression stroke and the intake stroke. The fuel injection amount in the compression stroke and the fuel injection amount in the intake stroke were set to be approximately equal. Then, as the compression ratio increases, the injection timing in the compression stroke is advanced to reduce the size of the stratified mixture and increase the concentration. And the ignition timing was retarded. The air-fuel ratio in the entire cylinder was set to a light lean range from the vicinity of the theoretical air-fuel ratio to about A / F17. Therefore, the surplus oxygen can activate the catalyst at an early stage, and can promote the afterburning of unburned components (hydrocarbon HC).

また吸気行程と圧縮行程との噴射割合を概ね1:1としている。燃料噴射量をパルス幅によって成層混合気の濃度とサイズを変更した場合は、噴射弁の最小パルス幅によって、成層度の制御性が制限されてしまうが、本実施形態においてはパルス幅を略一定とした状態で機械圧縮比により成層度を制御している。したがって、最小パルス幅の制限によらず簡便に混合気の成層度合いを調整することができる。   The injection ratio between the intake stroke and the compression stroke is approximately 1: 1. When the concentration and size of the stratified mixture are changed by the pulse width of the fuel injection amount, the controllability of the stratification degree is limited by the minimum pulse width of the injection valve, but in this embodiment, the pulse width is substantially constant. In this state, the stratification degree is controlled by the mechanical compression ratio. Therefore, the stratification degree of the air-fuel mixture can be easily adjusted regardless of the limitation on the minimum pulse width.

壁温度が低い条件では、圧縮比を低くして弱成層混合気を形成し、燃料が過度に集中することを回避して液膜を低減することで、始動直後にエンジンから排出される未燃成分(炭化水素HC)を低減するようにした。そして壁温が上昇するにつれて圧縮比を高めて高成層な混合気を形成することで、点火プラグの周囲にややリッチな混合気を形成するようにした。この状態では壁温が高いので液膜は問題とならない。この結果、点火安定度が向上し、リタード限界を拡大して排温を上昇させ触媒の活性を早めることで未燃成分(炭化水素HC)の排出低減と触媒の早期昇温を両立できる。   Under conditions where the wall temperature is low, the compression ratio is lowered to form a weakly stratified mixture, and the liquid film is reduced by avoiding excessive concentration of fuel. The component (hydrocarbon HC) was reduced. As the wall temperature rises, the compression ratio is increased to form a highly stratified mixture, so that a slightly rich mixture is formed around the spark plug. In this state, since the wall temperature is high, the liquid film is not a problem. As a result, the ignition stability is improved, the retard limit is increased, the exhaust temperature is increased, and the activity of the catalyst is accelerated, thereby making it possible to achieve both the reduction of unburned component (hydrocarbon HC) emission and the early temperature increase of the catalyst.

さらに圧縮比の上昇にともなって吸気流動を強化する。吸気行程の流動によって吸気行程に噴射した燃料の混合と拡散が促進され、より均質度の高い混合気が筒内に形成できる。また圧縮行程においては乱れが減衰し消散した比較的穏やかな流動場の中へ噴霧が噴射されることから、流動場の影響を受けずに噴霧の運動量によって点火プラグ近傍に成層混合気が形成され輸送される。筒内全体の均質性は高めつつ、点火プラグ周りには比較的リッチな混合気を集中させることが可能となり、点火安定度が向上するとともに、その後の火炎伝播速度も改善する。この結果、点火時期のリタードを増加でき、より排温上昇を早めることができる。   Furthermore, the intake flow is strengthened as the compression ratio increases. Mixing and diffusing of fuel injected in the intake stroke is promoted by the flow of the intake stroke, so that an air-fuel mixture with higher homogeneity can be formed in the cylinder. In the compression stroke, spray is injected into a relatively gentle flow field where the turbulence is attenuated and dissipated, so that a stratified mixture is formed near the spark plug by the momentum of the spray without being affected by the flow field. Transported. While increasing the homogeneity of the entire cylinder, it is possible to concentrate a relatively rich air-fuel mixture around the spark plug, improving the ignition stability and improving the subsequent flame propagation speed. As a result, the ignition timing retard can be increased, and the exhaust temperature rise can be further accelerated.

(第4応用形態)
図12は、本発明による成層運転制御を利用する第4応用形態を示すフローチャートである。
(4th application form)
FIG. 12 is a flowchart showing a fourth application form using the stratified operation control according to the present invention.

ステップS301においてコントローラー70は、実トルクを検出する。   In step S301, the controller 70 detects actual torque.

ステップS302においてコントローラー70は、運転モードが過渡モードであるか否かを判定する。過渡モードであればコントローラー70はステップS309へ処理を移行する。過渡モードでなければコントローラー70はステップS303へ処理を移行する。   In step S302, the controller 70 determines whether or not the operation mode is a transient mode. If in the transient mode, the controller 70 proceeds to step S309. If it is not the transient mode, the controller 70 proceeds to step S303.

ステップS303においてコントローラー70は、目標トルクが増大したか否かを判定する。目標トルクが増大するまではコントローラー70はステップS304へ処理を移行する。目標トルクが増大したらコントローラー70はステップS308へ処理を移行する。   In step S303, the controller 70 determines whether or not the target torque has increased. Until the target torque increases, the controller 70 proceeds to step S304. If the target torque increases, the controller 70 proceeds to step S308.

ステップS304においてコントローラー70は、機械圧縮比を維持する。   In step S304, the controller 70 maintains the mechanical compression ratio.

ステップS305においてコントローラー70は、空燃比を維持する。   In step S305, the controller 70 maintains the air-fuel ratio.

ステップS306においてコントローラー70は、吸気行程の燃料噴射を維持する。   In step S306, the controller 70 maintains fuel injection in the intake stroke.

ステップS307においてコントローラー70は、点火時期を維持する。   In step S307, the controller 70 maintains the ignition timing.

ステップS308においてコントローラー70は、運転モードとして過渡モードを設定する。   In step S308, the controller 70 sets the transient mode as the operation mode.

ステップS309においてコントローラー70は、実トルクが目標トルクに一致したか否かを判定する。一致するまではコントローラー70はステップS310へ処理を移行する。一致したらコントローラー70はステップS315へ処理を移行する。   In step S309, the controller 70 determines whether or not the actual torque matches the target torque. Until they match, the controller 70 proceeds to step S310. If they match, the controller 70 proceeds to step S315.

ステップS310においてコントローラー70は、目標トルクに対する実トルクの乖離量に応じて機械圧縮比を設定する。   In step S310, the controller 70 sets the mechanical compression ratio according to the amount of deviation of the actual torque from the target torque.

ステップS311においてコントローラー70は、目標トルクに対する実トルクの乖離量に応じて空燃比を設定する。   In step S311, the controller 70 sets the air-fuel ratio according to the amount of deviation of the actual torque from the target torque.

ステップS312においてコントローラー70は、目標トルクに対する実トルクの乖離量が小さくなるほど吸気行程の燃料噴射割合を増大する。   In step S312, the controller 70 increases the fuel injection ratio in the intake stroke as the deviation amount of the actual torque from the target torque decreases.

ステップS313においてコントローラー70は、目標トルクに対する実トルクの乖離量が小さくなるほど圧縮行程の燃料噴射割合を減少する。   In step S313, the controller 70 decreases the fuel injection ratio in the compression stroke as the deviation amount of the actual torque from the target torque decreases.

ステップS314においてコントローラー70は、目標トルクに対する実トルクの乖離量が小さくなるほど点火時期を遅角する。   In step S314, the controller 70 retards the ignition timing as the deviation amount of the actual torque from the target torque becomes smaller.

ステップS315においてコントローラー70は、運転モードとして定常モードを設定する。   In step S315, the controller 70 sets the steady mode as the operation mode.

図13は、第4応用形態を実行したときのタイムチャートである。   FIG. 13 is a time chart when the fourth application mode is executed.

目標トルクが増大する時刻t21まではコントローラーは、ステップS301→S302→S303→S304→S305→S306→S307を繰り返し処理する。これによって機械圧縮比(図13(B))、空燃比(図13(C))、点火時期(図13(D))、吸気行程の燃料噴射(図13(E))は、一定に維持される。   Until time t21 when the target torque increases, the controller repeatedly performs steps S301 → S302 → S303 → S304 → S305 → S306 → S307. As a result, the mechanical compression ratio (FIG. 13B), air-fuel ratio (FIG. 13C), ignition timing (FIG. 13D), and fuel injection in the intake stroke (FIG. 13E) are kept constant. Is done.

時刻t21で目標トルクが増大したらコントローラーは、ステップS301→S302→S303→S308と処理して運転モードとして過渡モードを設定する。   When the target torque increases at time t21, the controller processes steps S301 → S302 → S303 → S308 to set the transient mode as the operation mode.

次サイクル以降、実トルクが目標トルクに一致するまでは、コントローラーは、ステップS301→S302→S309→S310→S311→S312→S313→S314を繰り返し処理する。これによって目標トルクに対する実トルクの乖離量に応じて機械圧縮比が設定される(図13(B))。目標トルクに対する実トルクの乖離量に応じて空燃比が設定される(図13(C))。このとき出力空燃比はスライトリッチになっている。目標トルクに対する実トルクの乖離量が小さくなるほど吸気行程の燃料噴射割合が増大されるとともに圧縮行程の燃料噴射割合が減少される(図13(E))。目標トルクに対する実トルクの乖離量が小さくなるほど点火時期が遅角される(図13(D))。   After the next cycle, until the actual torque matches the target torque, the controller repeatedly performs steps S301 → S302 → S309 → S310 → S311 → S312 → S313 → S314. As a result, the mechanical compression ratio is set in accordance with the amount of deviation of the actual torque from the target torque (FIG. 13B). The air-fuel ratio is set according to the deviation amount of the actual torque with respect to the target torque (FIG. 13C). At this time, the output air-fuel ratio is slightly rich. As the deviation amount of the actual torque with respect to the target torque becomes smaller, the fuel injection ratio in the intake stroke is increased and the fuel injection ratio in the compression stroke is decreased (FIG. 13E). The ignition timing is retarded as the deviation amount of the actual torque with respect to the target torque decreases (FIG. 13D).

本実施形態の運転シーンは、過渡の加速シーンである。加速条件においても、要求トルクに対して、圧縮比を低下させるが、図13に示したように圧縮比の応答遅れが問題となってノッキングやプレイグニッションなどの異常燃焼が発生する可能性がある。   The driving scene of this embodiment is a transient acceleration scene. Even under the acceleration condition, the compression ratio is reduced with respect to the required torque. However, as shown in FIG. 13, there is a possibility that abnormal combustion such as knocking or pre-ignition may occur due to a delay in response of the compression ratio. .

そこで本実施形態では、吸気行程及び圧縮行程で分割噴射するとともに、点火時期をリタードすることで、高圧縮比条件においては成層度を高めるようにした。またあわせて圧縮行程の噴射割合を増加し、点火プラグから燃焼室中心付近にリッチな成層混合気を形成することで、火炎伝播速度を向上させるようにした。このようにすれば異常燃焼を回避できる。そしてこのときの空燃比は理論空燃比よりもやや濃い側に設定するので、作動ガスの比熱を低下させてエンドガスの温度が低下するので、ノッキングやプレイグニッションの異常燃焼を回避できるのである。   Therefore, in the present embodiment, split injection is performed in the intake stroke and the compression stroke, and the ignition timing is retarded, so that the stratification degree is increased under high compression ratio conditions. At the same time, the injection rate of the compression stroke is increased to form a rich stratified mixture from the spark plug to the vicinity of the center of the combustion chamber, thereby improving the flame propagation speed. In this way, abnormal combustion can be avoided. Since the air-fuel ratio at this time is set slightly higher than the stoichiometric air-fuel ratio, the specific heat of the working gas is lowered and the temperature of the end gas is lowered, so that abnormal combustion of knocking and pre-ignition can be avoided.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば、上記実施形態においては、燃料噴射弁41が燃焼室側方に配置されており、成層混合気を生成するためにピストンのキャビティーを利用する場合を例示して説明した。しかしながら、図14に示すように、燃料噴射弁を燃焼室直上に配置して、キャビティーを積極的に利用せずに成層混合気を生成するものであっても、同様の効果が得られる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the fuel injection valve 41 is disposed on the side of the combustion chamber and the cavity of the piston is used to generate the stratified mixture has been described as an example. However, as shown in FIG. 14, the same effect can be obtained even if the fuel injection valve is arranged immediately above the combustion chamber to generate the stratified mixture without actively using the cavity.

10 複リンク式可変圧縮比エンジン
11 ロアリンク
12 アッパリンク
13 コントロールリンク
25 コントロールシャフト
32 クランクシャフト
33 ピストン
ステップS16,S22,S310 圧縮比調整部/圧縮比調整工程
ステップS17,S24,S312 吸気行程噴射制御部/吸気行程噴射制御工程
ステップS18,S25,S313 圧縮行程噴射制御部/圧縮行程噴射制御工程
ステップS19,S26,S314 点火時期制御部/点火時期制御工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Double link type variable compression ratio engine 11 Lower link 12 Upper link 13 Control link 25 Control shaft 32 Crankshaft 33 Piston Step S16, S22, S310 Compression ratio adjustment part / compression ratio adjustment process Step S17, S24, S312 Intake stroke injection control Part / intake stroke injection control step S18, S25, S313 Compression stroke injection control unit / compression stroke injection control step Steps S19, S26, S314 Ignition timing control unit / Ignition timing control step

Claims (10)

ピストンの上死点位置を変更して機械圧縮比を調整する可変圧縮比機構を備える可変圧縮比エンジンの成層運転を制御する装置であって、
エンジン運転状態に応じて設定された目標成層状態が強成層状態であるほど機械圧縮比を高める圧縮比調整部と、
前記圧縮比調整部によって機械圧縮比が高められるほど、エンジンシリンダーに臨んで設けられた燃料噴射弁からの圧縮行程中の燃料噴射時期を進角させて、前記目標成層状態の成層混合気を生成する圧縮行程噴射制御部と、
前記エンジンシリンダー内の混合気に点火する点火時期制御部と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
An apparatus for controlling the stratification operation of a variable compression ratio engine having a variable compression ratio mechanism that adjusts a mechanical compression ratio by changing a top dead center position of a piston,
A compression ratio adjustment unit that increases the mechanical compression ratio as the target stratification state set according to the engine operating state is a strong stratification state;
As the mechanical compression ratio is increased by the compression ratio adjusting unit, the fuel injection timing during the compression stroke from the fuel injection valve provided facing the engine cylinder is advanced to generate the stratified mixture in the target stratified state A compression stroke injection control unit,
An ignition timing controller for igniting the air-fuel mixture in the engine cylinder;
A stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine, comprising:
前記圧縮行程噴射制御部は、圧縮行程中にピストン冠面の高さが所定位置に達したタイミングで、前記燃料噴射弁から燃料を噴射することで、前記目標成層状態の成層混合気を生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
The compression stroke injection control unit generates the stratified mixture in the target stratified state by injecting fuel from the fuel injection valve at a timing when the height of the piston crown surface reaches a predetermined position during the compression stroke. ,
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 1.
前記圧縮比調整部は、エンジンの運転状態が低回転低負荷であるほど機械圧縮比を高くする、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
The compression ratio adjustment unit increases the mechanical compression ratio as the engine operating state is a low rotation and low load.
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 1 or 2, characterized in that
吸気行程中に前記燃料噴射弁から燃料を噴射することで、均質混合気を生成する吸気行程噴射制御部をさらに備え、
エンジンの運転状態が触媒を暖機する運転状態であるときは、
前記圧縮比調整部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて機械圧縮比を高め、
前記吸気行程噴射制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて燃料噴射時期を遅角するとともに燃料噴射割合を減少させ、
前記圧縮行程噴射制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて燃料噴射時期を進角するとともに燃料噴射割合を増加させ、
前記点火時期制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて点火時期を遅角する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
An intake stroke injection control unit that generates a homogeneous mixture by injecting fuel from the fuel injection valve during the intake stroke;
When the engine is operating to warm up the catalyst,
The compression ratio adjustment unit increases the mechanical compression ratio in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder,
The intake stroke injection control unit retards the fuel injection timing in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder and decreases the fuel injection ratio.
The compression stroke injection control unit advances the fuel injection timing in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder and increases the fuel injection ratio.
The ignition timing control unit retards the ignition timing in response to an increase in the wall temperature of the engine cylinder.
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 1 or 2, characterized in that
エンジンの運転状態が触媒を暖機する運転状態の場合であってエンジンシリンダーの壁面温度が運転切替温度よりも低いときには、
前記圧縮比調整部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇にかかわらず機械圧縮比を維持し、
前記吸気行程噴射制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて燃料噴射時期を遅角し、
前記圧縮行程噴射制御部は、燃料噴射を停止し、
前記点火時期制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて点火時期を遅角する、
ことを特徴とする請求項4に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
When the engine operating state is an operating state in which the catalyst is warmed up and the wall surface temperature of the engine cylinder is lower than the operation switching temperature,
The compression ratio adjustment unit maintains the mechanical compression ratio regardless of the rise in the wall temperature of the engine cylinder,
The intake stroke injection control unit retards the fuel injection timing in accordance with the rise in the wall temperature of the engine cylinder,
The compression stroke injection control unit stops fuel injection,
The ignition timing control unit retards the ignition timing in response to an increase in the wall temperature of the engine cylinder.
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 4.
吸気行程中に前記燃料噴射弁から燃料を噴射することで、均質混合気を生成する吸気行程噴射制御部と、
エンジンシリンダーに吸入される吸気の流動強度を制御する吸気流動制御部と、
をさらに備え、
エンジンの運転状態が触媒を暖機する運転状態であるときは、
前記圧縮比調整部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて機械圧縮比を高め、
前記吸気行程噴射制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて燃料噴射時期を遅角し、
前記圧縮行程噴射制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて燃料噴射時期を進角し、
前記点火時期制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて点火時期を遅角し、
前記吸気流動制御部は、エンジンシリンダーの壁面温度の上昇に応じて吸気流動を強める、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
An intake stroke injection control unit that generates a homogeneous mixture by injecting fuel from the fuel injection valve during the intake stroke;
An intake flow control unit for controlling the flow strength of the intake air sucked into the engine cylinder;
Further comprising
When the engine is operating to warm up the catalyst,
The compression ratio adjustment unit increases the mechanical compression ratio in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder,
The intake stroke injection control unit retards the fuel injection timing in accordance with the rise in the wall temperature of the engine cylinder,
The compression stroke injection control unit advances the fuel injection timing in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder,
The ignition timing control unit retards the ignition timing in accordance with an increase in the wall temperature of the engine cylinder,
The intake air flow control unit strengthens the intake air flow in response to an increase in the wall temperature of the engine cylinder.
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 1 or 2, characterized in that
前記エンジンシリンダーの壁面温度は、エンジン始動時の冷却水温とエンジン始動からの経過時間によって検出される、
ことを特徴とする請求項3から請求項6までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
The wall surface temperature of the engine cylinder is detected by the coolant temperature at the time of engine start and the elapsed time from the engine start.
The stratified operation control device for a variable compression ratio engine according to any one of claims 3 to 6, characterized in that:
吸気行程中に前記燃料噴射弁から燃料を噴射することで、均質混合気を生成する吸気行程噴射制御部をさらに備え、
エンジンの運転状態が目標トルクが上昇して目標トルクに対して実トルクが不足する過渡運転状態であるときは、
前記圧縮比調整部は、実トルクの上昇に応じて機械圧縮比を低め、
前記吸気行程噴射制御部は、実トルクの上昇に応じて燃料噴射割合を増加させ、
前記圧縮行程噴射制御部は、実トルクの上昇に応じて燃料噴射割合を減少させ、
前記点火時期制御部は、実トルクの上昇に応じて点火時期を遅角する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
An intake stroke injection control unit that generates a homogeneous mixture by injecting fuel from the fuel injection valve during the intake stroke;
When the engine operating state is a transient operation state where the target torque increases and the actual torque is insufficient relative to the target torque,
The compression ratio adjustment unit lowers the mechanical compression ratio in accordance with an increase in actual torque,
The intake stroke injection control unit increases the fuel injection ratio in accordance with the increase of the actual torque,
The compression stroke injection control unit decreases the fuel injection rate in accordance with an increase in actual torque,
The ignition timing control unit retards the ignition timing in accordance with an increase in actual torque.
The stratified operation control apparatus for a variable compression ratio engine according to claim 1 or 2, characterized in that
前記可変圧縮比機構は、
クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるロアリンクと、
前記ロアリンク及びピストンに連結されるアッパリンクと、
前記ロアリンクに連結され、ロアリンクの移動を規制するコントロールリンクと、
前記コントロールリンクの揺動中心になる揺動中心ピンを含み、その揺動中心ピンの位置を変更してピストンの上死点位置を調整するコントロールシャフトと、
を有することを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジンの成層運転制御装置。
The variable compression ratio mechanism is
A lower link that is freely mounted on the crankpin of the crankshaft, and
An upper link coupled to the lower link and the piston;
A control link connected to the lower link and restricting the movement of the lower link;
A control shaft that includes a swing center pin that becomes the swing center of the control link, and that adjusts the top dead center position of the piston by changing the position of the swing center pin;
The stratified operation control device for a variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 8, characterized by comprising:
ピストンの上死点位置を変更して機械圧縮比を調整する可変圧縮比機構を備える可変圧縮比エンジンの成層運転を制御する方法であって、
エンジン運転状態に応じて設定された目標成層状態が強成層状態であるほど機械圧縮比を高める圧縮比調整工程と、
前記圧縮比調整工程によって機械圧縮比が高められるほど、エンジンシリンダーに臨んで設けられた燃料噴射弁からの圧縮行程中の燃料噴射時期を進角させて、前記目標成層状態の成層混合気を生成する圧縮行程噴射制御工程と、
前記エンジンシリンダー内の混合気に点火する点火時期制御工程と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比エンジンの成層運転制御方法。
A method for controlling the stratification operation of a variable compression ratio engine having a variable compression ratio mechanism that adjusts a mechanical compression ratio by changing a top dead center position of a piston,
A compression ratio adjustment step for increasing the mechanical compression ratio as the target stratification state set according to the engine operating state is a strong stratification state;
As the mechanical compression ratio is increased by the compression ratio adjusting step, the fuel injection timing during the compression stroke from the fuel injection valve provided facing the engine cylinder is advanced to generate the stratified mixture in the target stratified state. A compression stroke injection control step,
An ignition timing control step of igniting the air-fuel mixture in the engine cylinder;
A stratified operation control method for a variable compression ratio engine.
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